专利名称：包含用于功能元件的密封元件的传感器元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求前述部分的传感器元件。
背景技术：
一种这种类型的层状地构造的传感器元件例如由DE 10 2004 025 949 Al已知并 且具有一印制导线，该印制导线从传感器元件的外侧穿过通孔延伸至传感器元件的内部。 在通孔的区域中如此安置一覆盖层，使得位于传感器元件外部的气体只能通过扩散路径到 达传感器元件内部，该扩散路径至少局部地平行于传感器元件的外表面延伸。这样构造的 传感器元件具有的优点是，脏物不在传感器元件的内部集聚或者只明显减小地集聚。这样的传感器元件的缺点是，位于传感器元件外部的气体、特别是含有氧气的废 气或者环境空气可以进入到安置在传感器元件内部的功能元件处，这在那里尤其在高温下 导致氧化过程，这些氧化过程会损害传感器元件的功能并且促进提前老化以及传感器元件 失灵。功能元件的材料越不贵并且因此越易反应，这样的问题越多地出现。另一方面，由于 成本原因使用这样的金属是有吸引力的。
发明内容
与此相比，根据本发明的具有独立权利要求特征部分特征的传感器元件具有的优 点是，位于传感器元件外部的气体不能进入到功能元件处并且因此即使在高温下并且在使 用不贵的材料时也可以避免功能元件的氧化。为此，导体元件和密封元件在传感器的内部 至少局部地气密地构造并且如此布置，使得功能元件气密地与传感器元件的环境分隔。通过在从属权利要求中提出的措施可以扩展构造在独立权利要求中说明的传感 器元件。
在图1，2，3，3a，4和5中以剖面图示出根据本发明实施例，在下面的说明书中详细 描述。
具体实施例方式图1作为本发明的第一实施例示出传感器元件20的连接侧的端部区段，该传感器 元件被安置在(没有示出的)气体探测器的壳体中并且例如用于确定(没有示出的)内燃 机的废气中的氧气浓度或废气温度。该传感器元件20由陶瓷层21，22，28，四构建，在这些层中，两个层构造为第一和 第二固体电解质膜21，22并且包含氧化钇稳定氧化锆(YW)，两个层构造为一个外部的和 一个内部的、印制的电绝缘层观，29并且包含氧化铝。第一和第二固体电解质膜21，22位于内部的、印制的电绝缘层四的下方和上方。 在第二固体电解质膜22的上方安置有外部的、印制的电绝缘层28。当然该传感器元件可以
3具有其它层，用于实现传感器20的已知的功能。这些其它层可以例如由陶瓷材料制成。一功能元件31位于内部的、印制的电绝缘层四内部，该功能元件包括电阻加热装 置和通到该电阻加热装置的输入导线131。该电阻加热装置与一外部(未示出的)电路共 同作用将传感器元件20加热到明显超过650°C的温度。通到电阻加热装置的输入导线131 延伸到传感器元件20的连接侧端部区段，而该电阻加热装置布置在传感器元件20的对置 的、在图1中没有示出的测量侧端部区段中。在该例中用以制成功能元件31的材料具有高 的钯份额，例如超过50%重量百分比的份额。替换地考虑其它材料，这些材料同样在高于 650°C的温度下在氧气条件下氧化。因为在该例中用以制成功能元件31的材料在功能元件31的工作温度超过650°C 时在氧气条件下氧化，所以规定，该功能元件31与传感器元件20的环境500气密地分隔。该传感器元件20在连接侧端部区段中具有通孔51，该通孔从功能元件31出发穿 过内部的、印制的电绝缘层四的一些部分，穿过第二固体电解质膜22并且穿过外部的、印 制的电绝缘层观一直延伸到传感器元件20的外表面100处。该通孔具有圆柱体造型，具 有0. 3至1. 5mm、优选0. 5至1. 2mm的直径，该圆柱体的轴线垂直于层21，22，观，29。当然 也可能的是，通孔51的基面椭圆形地或多角形地构成和/或该通孔51相对于层21，22二8， 四成另一角度地布置。在通孔51的圆筒形壁上施加气密的电绝缘体61，该绝缘体例如包 含氧化铝、铝镁尖晶石或者镁橄榄石并且具有2到100 μ m、优选5到50 μ m的厚度。因此该 绝缘体61具有空心圆筒的形状。导体元件41在通孔51内并且在由绝缘体61构成的空心圆筒内部借助导电固定 连接体75 (—个导电的、机械固定的块)与功能元件31导电连接。该导体元件41是钼丝 141，该钼丝在通孔51内部沿着该通孔的轴线一直延伸到传感器元件20的环境500中。该 钼丝141具有50至250 μ m的直径并且气密地构造。通孔51的剩余的空间，即由绝缘体61 形成的空心圆筒内部的、没有被导电固定连接体75和钼丝141占据的空间，被密封元件71 填满，该密封元件由气密的并且电绝缘的玻璃块或玻璃陶瓷块171制成。该玻璃块或玻璃 陶瓷块171是SW2基的或磷酸盐基的，并且具有A1203、MgO、CaO和/或氏03等其它成份。 此外在该玻璃块或玻璃陶瓷块171中可以包含总共小于50%重量百分比、优选小于10%重 量百分比的&ι0、SrO、BaO, La203> TiO2和Nei2O成份。所使用的玻璃块或者玻璃陶瓷块171 的热膨胀系数为了适配于周围陶瓷的热膨胀而处于4. 5*10_6/Κ到12*10_6/Κ之间。为了按照该第一实施例制造传感器元件20，使用已知的厚膜工艺，例如丝网印制、 转印和抽吸工艺。该玻璃块或玻璃陶瓷块171以非压制的或模压的粉末成型件或者以膏状 制备，配入到通孔51中并且通过接着的加热过程焙烧，其中，该玻璃块或玻璃陶瓷块171通 过熔化并且接着凝结而变得气密。所使用的玻璃的焙烧温度在900至1400°C的范围内。焙 烧的玻璃或者焙烧的玻璃陶瓷是耐高温的并且具有超过750°C的玻璃化转变温度。图2示出本发明的第二实施例，该实施例与第一实施例不同在于，该导体元件41 构造为金属芯对1。该金属芯241具有直径为80至400 μ m的圆柱体造型并且和密封元件 71 一样与传感器元件20的外表面100平齐地终止。该金属芯241如第一实施例中的钼丝 141 一样借助导电固定连接体75与功能元件31机械地并且导电地连接，或者在金属芯241 与功能元件31之间有一由金或镍构成的、10至200 μ m厚的、可延展的金属层275。该金属 芯241包含钼或镍，或者由铬镍钢构成，并且是气密的。
在传感器20的外表面100上安置一与金属芯241机械地并且导电地连接的、扁平 地构型的接触元件42，该接触元件用于传感器元件与(没有示出的)分析处理单元和/或 供电单元接触。图3和3a示出本发明的第三实施例，该实施例与第二实施例的区别在于，接触元 件42不仅在传感器元件20的外表面100上布置，而且伸入到通孔51中并且伸入到由绝缘 体61形成的空心圆筒的内部。该绝缘体61如在前面的例子中一样地构造和安置，特别是 气密的并且在该实施例中承担密封元件71的功能。导体元件41在该实施例中由气密的、 可导电的填充料341构成，它与接触元件42和功能元件31导电地连接。该气密的、可导电 的填充料341与绝缘体61 —起在接触元件的伸入处下方填满通孔51的整个横截面。该气 密的可导电的填充料341由一种材料制成，该材料包含5-90%体积百分比、优选10-50%体 积百分比的钼或钼族金属(镍，钯，钼)，并且还包含玻璃相或者玻璃陶瓷相，该玻璃相或者 玻璃陶瓷相的组份例如与第一实施例的玻璃块或者玻璃陶瓷块171的组份相当，并且可选 择包含低烧结的合金元素例如金或银。该填充料341具有闭口的多孔。在图3a中，尺寸a是由绝缘体61形成的空心圆筒的直径，尺寸b是接触元件42 伸入到由绝缘体61形成的空心圆筒内部的伸入段长度，尺寸c是该伸入段的宽度，尺寸d 是层观的厚度，尺寸e是层四的厚度并且尺寸f是接触元件42伸入到气密的可导电的 填充料；341中的伸入段长度。尺a，b，c，d，e和f如下选择a = 900 μ m, b = 190 μ m，c =30ym,d = 25ym,e = 45 μ m并且f = 135 μ m0替换地在下面的边界内选择这些尺寸 300 μ m < a < 1500 μ m, 20 μ m < b < 300 ym,2ym<c< 100 μπι,5μπι<(1<50μπι,5μπι < e < 70 μ m, 20 μ m < f < 300 μ m,优选500 μ m < a < 1200 μ m, 100 μ m < b < 200 μ m, 5ym<c<50ym,20ym<d<30ym,40ym<e<50ym,50ym<f< 200 μ m。图4示出本发明的第四实施例，该实施例与第三实施例的区别在于，接触元件42 的伸入段一直达到通孔51的底部并且在那里与功能元件31导电地连接。接触元件42的 伸入段是气密的，在该实施例中承担导体元件41的功能并且空心圆筒地构造。接触元件 42的伸入段的内腔被密封元件71填满，该密封元件在该实施例中由玻璃块或者玻璃陶瓷 块471制成。该玻璃块或者玻璃陶瓷块471的组份与第一实施例中的玻璃块或者玻璃陶瓷 块171的组份一致。该接触元件42的布置在外表面100上的部分在该实施例中具有2至 100 μ m、优选5至25 μ m的厚度。在实施例1至4的替换实施方式中，层22由气密的、电绝缘的材料制成，该材料例 如主要包含氧化铝并且具有闭口的多孔。该层22在该变型方案中承担密封元件71的功能 并且导体元件41可以与该层22直接接触地穿过该层。在该情况下可以省去绝缘体61。功能元件31与传感器元件20的环境500的气密的分隔可以由此实现导体元件 41至少局部地在与功能元件31相同的层面内延伸并且在那里气密地构造，密封元件71至 少局部地在与包围功能元件31的层四相同的层面内布置并且在那里气密地构造。有利地 在该情况下可以实现功能元件31与传感器元件20的环境500的气密的分隔，而不必使穿 过该传感器元件20的、用于功能元件31的接触的通孔51气密地构造。在图5中可见涉及 这种构思的本发明实施例。图5示出传感器元件20的连接侧的端部区段，该传感器元件安置在(没有示出 的)气体探测器的壳体中并且例如用于确定(没有示出的)内燃机废气中的氧浓度或确定废气温度。该传感器元件20由陶瓷层21，22，28，四构建，在这些层中，两个层构造为第一和 第二固体电解质膜21，22并且包含氧化钇稳定氧化锆(YW)，两个层构造为一个外部的和 一个内部的、印制的电绝缘层观，29并且包含氧化铝。第一和第二固体电解质膜21，22位于内部的、印制的电绝缘层四的下方和上方。 在第二固体电解质膜22的上方安置有外部的、印制的电绝缘层观。一功能元件31位于内部的、印制的电绝缘层四内部，该功能元件包括电阻加热装 置和通到该电阻加热装置的输入导线131。该电阻加热装置与一外部(未示出的)电路共 同作用将传感器元件20加热到超过650°C的温度。通到电阻加热装置的输入导线131至少 延伸到传感器元件20的连接侧端部区段的附近，而该电阻加热装置布置在传感器元件20 的对置的、在图5中没有示出的、测量侧的端部区段中。用以制成功能元件31的材料具有 高的钯份额，例如超过50%重量百分比的份额。该传感器元件20在其连接侧端部区段的区域中具有通孔51，该通孔从功能元件 31所在的层面出发延伸到传感器元件20的外表面100上。在通孔51的圆柱壳形壁上施加 气密的电绝缘体61。接触元件42从传感器20的外表面100沿着绝缘体61的内侧面延伸到功能元件 31所在的层面。该接触元件42在通孔51的内部空心圆筒形地、带有自由的内腔地构造。 该接触元件42与功能元件31导电地连接。因为用以制成功能元件31的材料在功能元件31的超过650°C的工作温度下在氧 气条件下氧化，所以规定，该功能元件31与传感器元件20的环境500气密地分隔。因此在一个在侧面围绕通孔51安置的区域中，内部的电绝缘的印制的层四的一 个部分29a气密地构造。该内部的电绝缘的印制的层四的该部分29a承担密封元件71的 功能。此外在该区域中在功能元件31的层面中有一气密的输入导线31a，该输入导线优选 具有高的钼含量，该输入导线将接触元件42与功能元件31相互电连接。该气密的输入导线 31a承担导体元件41的功能。密封元件71和导体元件41的气密性通过闭口的多孔或者通 过烧结助剂即玻璃相或者玻璃陶瓷相或者通过添加低烧结的合金元素例如金或银来实现。所述在侧面围绕通孔51安置的区域从通孔51的外壁出发延伸300 μ m到5000 μ m 之间那么远。在一实施方式中也可以规定，功能元件31和气密的输入导线31a在直到Imm 的长度上搭接。所有的实施例允许对在达到650°C以上的工作温度下工作的功能元件31使用在 氧影响下氧化的材料。这种材料可以是与钼相比相对廉价的贵金属，如钯或者金。此外还 可以使用不是贵金属的金属，如镍、钨、钼、钛、钽、铌、铁或铬。在此要注意，在使用这些材料 时在制造过程期间也要避免这些为功能元件所使用的材料氧化。为此有利的是，特别是在 烧结过程期间，使用还原气氛，特别是气体氩和氮，具有最多达5%体积含量的氢。在为功能元件31使用与氧化铝反应(例如多种金属(原子类型Me)可以这样，它 们在高温下反应生成MeAl2O4 (尖晶石))的材料时，要避免功能元件31与氧化铝之间直接 接触，例如通过设置扩散阻隔层。对于镍，该扩散阻隔层例如可由二氧化锆制成。因为所涉 及的这些材料的热膨胀系数部分地明显不同于所使用的陶瓷的热膨胀系数，所以有利的可 以是，用以制成功能元件31的金属具有陶瓷的第二相(金属陶瓷)，由此可以使热膨胀系数达到一致。 另一可能性是，使用呈碳纳米管形式的碳作为功能元件31的材料。在此有利的是 将该包含碳纳米管的材料加工为膏，例如借助丝网印制。该膏的脱粘可以在含氧的气氛中 进行，烧结过程应当在保护气体气氛中进行。因为包含碳纳米管的材料现在只受限制地以 高的导电率提供，所以有利的是，在具有呈碳纳米管形式的碳(如作为电加热装置的加热 电阻)的功能元件31中还使用其它材料(例如在该加热装置的输入导线中具有钼)。如果 电加热装置的加热电阻由呈碳纳米管形式的碳构成，那么有这样的可能性使该加热电阻 扁平面地造型，例如在棱边长度大于2mm的平面中。
权利要求
1.层状地构造的传感器元件，特别是用于探测气体或者液体的物理特性，特别是用于 探测内燃机废气的气体成分浓度或温度，其中，该传感器元件00)具有一在其内部安置的 功能元件(31)，该功能元件(31)与一导体元件导电地连接，该导体元件Gl)延伸到 该传感器元件00)的外表面(100)上或者延伸该传感器元件00)的环境(500)中，并且， 该传感器元件00)具有至少一个与该功能元件(31)和/或该导体元件Gl)邻接的密封元 件(71)，其特征在于，该导体元件和该至少一个密封元件(71)在该传感器元件OO) 的内部至少局部地气密地构型并且如此布置，使得该功能元件(31)气密地与传感器元件 (20)的环境(500)分隔。
2.根据权利要求1的传感器元件，其特征在于，所述功能元件(31)是电阻加热装置和 /或是通到电阻加热装置的输入导线(131)。
3.根据权利要求1或2的传感器元件，其特征在于，所述功能元件(31)包含在氧条件 下在650°C温度时氧化的材料，特别是包含至少50%重量百分比的份额。
4.根据前述权利要求之一的传感器元件，其特征在于，所述功能元件(31)包含贵金 属，特别是钯，或者包含非贵金属，特别是镍、钨、钼、钛、钽、铌、铁、铬，或者包含可导电的有 机材料，特别是呈碳纳米管形式的碳，特别是含有具有至少50%重量百分比的份额。
5.根据前述权利要求之一的传感器元件，其特征在于，所述导体元件Gl)在其气密地 构型的区域中具有闭口的多孔，和/或包含低烧结的合金元素，例如金或银，和/或具有玻 璃相和/或玻璃陶瓷相。
6.根据前述权利要求之一的传感器元件，其特征在于，所述功能元件(31)安置在第一 和第二陶瓷层(21，22)之间，该导体元件Gl)和该至少一个密封元件(71)至少局部地安 置在第一和第二陶瓷层(21，22)之间并且在那里至少局部地气密地构型并且如此安置，使 得所述功能元件(31)气密地与传感器元件00)的环境(500)分隔。
7.根据前述权利要求之一的传感器元件，其特征在于，所述导体元件Gl)至少部分地 在与功能元件(31)相同的层面内延伸并且在那里气密地构造，所述密封元件(71)至少部 分地在与至少部分地包围功能元件(31)的层09)相同的层面内安置并且在那里至少局部 地气密地构造。
8.根据前述权利要求之一的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件00)具有通孔 (51)，该通孔从传感器元件的外表面(100)穿过一个或者多个陶瓷层02，观，29)延伸到功 能元件(31)的平面，并且该密封元件(71)和/或该导体元件Gl)至少部分地安置在通孔 (51)内部并且在那里气密地构造。
9.根据权利要求8的传感器元件，其特征在于，所述密封元件(71)安置在通孔(51)的 内侧上。
10.根据权利要求8或9的传感器元件，其特征在于，所述密封元件(71)具有空腔，导 体元件Gl)的至少一部分安置在该空腔内部。
11.根据权利要求8至10之一的传感器元件，其特征在于，所述导体元件具有空 腔，密封元件(71)的至少一部分安置在该空腔内部。
全文摘要
层状地构造的传感器元件，特别是用于探测气体或者液体的物理特性，特别是用于探测内燃机废气的气体成分浓度或温度，其中，该传感器元件(20)具有在其内部安置的功能元件(31)，该功能元件(31)与导体元件(41)导电地连接，该导体元件(41)延伸到传感器元件(20)的外表面(100)上或者延伸到传感器元件(20)的环境(500)中，并且，该传感器元件(20)具有至少一个邻接功能元件(31)和/或导体元件(41)的密封元件(71)，其特征在于，该导体元件(41)和该至少一个密封元件(71)在传感器元件(20)的内部至少局部气密地构型并且如此安置，使得该功能元件(31)气密地与传感器元件(20)的环境(500)分隔。
文档编号G01N27/407GK102066915SQ200980122816
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年6月16日
发明者A·布吕哈德, B·哈格曼, F·施内尔, G·厄勒, G·里克斯科尔, J·拉赫尔, P·库舍尔, S·波尔斯特, T·韦尔, U·格兰茨, U·艾泽勒 申请人:罗伯特·博世有限公司